近日，上海海洋大学于飞副教授环境功能材料及新兴污染物控制技术团队联合同济大学马杰教授团队，在国际权威期刊《Chemistry of Materials》上发表了题为“Two-Dimensional Hetero-Structured TiO2/TiS2 Nanosheet for Capacitive Deionization”的研究论文。Chemistry of Materials是美国化学会（ACS）旗下的材料学旗舰期刊，主要刊登材料化学领域高水平的研究成果，属于工程技术TOP一区期刊，在化学、能源、材料及相关领域中具有非常高的学术影响力。
第一作者：杨正曲
通讯作者：于飞
通讯单位：上海海洋大学
论文DOI: 10.1021/acs.chemmater.2c03618
近年来，过渡金属氧化物（如TiO2）以其较高的理论赝电容和合理的成本被认为是有前途的钠离子电池（NIBs）的阳极材料。锐钛型二氧化钛由于具有二维插层可能性和低能量屏障，因此更容易储存钠离子，并具有更好的循环性能。但TiO2的电化学性能较差的问题阻碍了它的发展。合成纳米级的TiO2以提高电极和电解质之间的接触面积，或引入柔性导电二维支撑材料以促进电子和离子在电极界面的转移，是改善其电化学性能的有效策略。
纳米限域技术是开发结构稳定的纳米材料或异质结构的一种有效策略。选择适当的前驱体作为纳米空间模板来生长目标材料，最终得到复合结构。过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物（MXenes）具有二维结构、原子级厚度和良好的弹性，是合成其他金属化合物的理想前体。本研究通过水热法制备了由Ti3C2Tx衍生的二维异质结构TiO2/TiS2纳米片。利用MXene作为纳米空间限域技术的分层基底，有效控制了TiS2的团聚效应。电化学分析和CDI脱盐性能分析表明，TiO2/TiS2电极具有良好的电化学稳定性和脱盐性能。TiO2/TiS2的异质结结构使其具有更多的活性吸附点、表面缺陷和更短的离子扩散路径。基于电化学石英晶体微天平（EQCM）对离子迁移和储存进行了原位分析。这项工作为由MXene获得的异质结的应用提供了一个新的方向。
n MXene为前体的TiO2/TiS2二维层状异质结
本研究通过水热法制备由Ti3C2Tx衍生的二维异质结构TiO2/TiS2纳米片。Ti3C2Tx作为前驱体为二氧化钛和二硫化钛提供了生长的模板和空间。高温处理不仅除去了过多的硫，而且还促进了材料异质结结构的形成。另一方面，基于纳米空间限域策略得到的二维异质结构有效地防止了TiS2的团聚效应。
n 电化学性能分析
TiO2/TiS2电极在NaCl溶液中表现出优异的电化学性能和循环稳定性。经过100次循环后，比容量和保持率仅有轻微变化，这表明TiO2/TiS2电极在水环境中具有很强的电化学稳定性。此外，Na+的去除过程与法拉第反应和表面氧化还原反应有关。
n 脱盐性能及离子存储
脱盐容量随着恒定充电电流的增加而上升，在0.1mA左右达到良好的脱盐能力，然后随着恒定充电电流的增加而减少。由于脱盐能力的下降，ASAR增加后下降。这说明当给定的恒定电流过大时，大量的电解质离子会被吸附在电极-电解质界面上，增加浓差极化，但电压阈值一定，导致离子传输能力弱，脱盐效果差。同时，通过对不同电极质量的脱盐能力的实验，我们发现电导率的差值随着电极质量的增加而增加。由于脱盐能力与质量有关，计算出的脱盐能力差异不大，但ASAR的速度更快（1.68 mg g-1 min-1），这表明TiO2/TiS2具有良好和稳定的脱盐能力。此外，SAC不受电极质量影响的独特性质为CDI装置的放大生产提供了潜力。与其他类似电极材料相比，TiO2/TiS2电极具有更高的脱盐能力，这可能与片状结构、更短的离子扩散路径、更多的活性吸附位点和赝电容行为的协同作用有关。
离子传输特性通常是通过CDI中界面的吸附/解吸或化学反应实现的，这将导致界面的离子浓度变化或反应物的产生，从而导致电极质量的轻微变化。因此，电化学石英晶体微天平（EQCM）可以用来检测充电和放电过程中TiO2/TiS2的质量变化，并可以对电化学储能过程进行分析。结果表明，Δf3/3在充电/放电周期中周期性地变化，扫描速率越小，Δf3/3的变化就越明显。耗散变化（D3）与时间的关系表明，在一个扫描周期内耗散变化不大，特别是当扫描速率>30 mV s-1时，表明TiO2/TiS2电极在电化学周期内可以保持刚性膜结构。此时，应通过Sauerbrey方程计算电极的质量变化。电极的质量在充电时增加，放电时减少（反向充电），表明在电极表面发生了氧化反应或插层，Δm逐渐增加到200 ng cm-2。经过三个充放电循环后，Δm逐渐减小，说明某些位点上的离子未及时脱出，这与长循环脱盐结果一致。基于EQCM-D的原位电化学分析直接反映了脱盐过程中的离子迁移行为。
